一种复合水凝胶海绵及其制备方法和应用、太阳能海水淡化装置

1.本发明涉及海水淡化技术领域，尤其涉及一种复合水凝胶海绵及其制备方法和应用、太阳能海水淡化装置。


背景技术：

2.在过去的几十年里，人们提出了各种水处理技术，通常分为初级技术（筛选、过滤、离心、分离、沉淀、混凝和絮凝等）、二级技术（好氧和厌氧处理等）、三级技术（蒸馏、结晶、蒸发、溶剂萃取、氧化、沉淀、离子交换、反渗透、纳滤、超滤、微滤、吸附、电解和电渗析等）。然而，这些技术中的大多数都不能有效的排出水污染物，已经显示出二氧化碳排放的严重影响，有些方法能耗大、操作密集，因此，在商业应用中无法承受。降低现有海水淡化技术的能源需求和基础设施成本、实现无碳排放仍然是一项挑战。如果将海水淡化工业与可再生能源相结合，如风能、太阳能、潮汐能和地热能等，海水淡化工业则可以实现可持续发展。
3.目前，太阳能驱动的水蒸发作为一种经典的太阳能热过程，已被广泛研究，因为它在蒸汽产生、脱盐、杀菌和水处理等领域中发挥了重要作用，成为当前研究的前沿热点之一。但是现有的太阳能海水淡化技术，其蒸发速率和蒸发效率依然较低，难以满足现阶段太阳能海水淡化的需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种复合水凝胶海绵及其制备方法和应用、太阳能海水淡化装置，所述复合水凝胶海绵具有较高的光热转化效率，进而提高蒸发速率和蒸发效率。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：本发明提供了一种复合水凝胶海绵，包括依次层叠设置的供水层和蒸发层；所述供水层的材料为聚丙烯酰胺水凝胶；所述蒸发层的材料为聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶；所述聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶包括聚丙烯酰胺水凝胶和分散在所述聚丙烯酰胺水凝胶中的石墨烯。
6.优选的，所述蒸发层中的石墨烯和聚丙烯酰胺的质量比为（0.90~1.35）：（12~18）。
7.优选的，所述蒸发层中的石墨烯的粒径为0.40~10.00nm。
8.本发明还提供了上述技术方案所述的复合水凝胶海绵的制备方法，包括以下步骤：将第一丙烯酰胺、第一引发剂、第一助引发剂、第一交联剂和第一水混合，在模具中进行第一原位聚合，得到聚丙烯酰胺水凝胶层；将第二丙烯酰胺、第二引发剂、第二助引发剂、第二交联剂、石墨烯和第二水混合后，在所述聚丙烯酰胺水凝胶层的上表面进行第二原位聚合生成聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶层，得到所述复合水凝胶海绵。
9.优选的，所述第一丙烯酰胺、第一水、第一引发剂、第一助引发剂和第一交联剂的质量比为（12~18）：（80~118）：（0.04~0.14）：（0.04~0.14）：（0.0015~0.015）；所述石墨烯、第二丙烯酰胺、第二水、第二引发剂、第二助引发剂和第二交联剂的质量比为（0.90~1.35）：（12~18）：（80~118）：（0.04~0.14）：（0.04~0.14）：（0.0015~0.015）。
10.优选的，所述第一原位聚合和第二原位聚合的温度独立的为35~85℃，时间为15~80min。
11.本发明还提供了上述技术方案所述的复合水凝胶海绵或上述技术方案所述的制备方法制备得到的复合水凝胶海绵在海水淡化领域中的应用。
12.本发明还提供了一种太阳能海水淡化装置，包括依次设置的聚光系统、第一凸透镜和太阳能蒸发器；所述聚光系统反射的光通过第一凸透镜照射到所述太阳能蒸发器上；所述聚光系统包括由下至上依次设置的凹面反射镜、第二凸透镜和平面反射镜；所述凹面反射镜、第二凸透镜和平面反射镜的中心位于同一条直线上；所述直线垂直于水平面；所述太阳能蒸发器包括上述技术方案所述的复合水凝胶海绵或上述技术方案所述的制备方法制备得到的复合水凝胶海绵；还包括倒“v”型透明玻璃罩和架台；所述架台包括位于中间的海水区和位于两端的淡水收集区；所述复合水凝胶海绵漂浮于所述海水区的海水表面。
13.优选的，所述凹面反射镜的口径为所述复合水凝胶海绵的直径的3~10倍；所述凹面反射镜的曲率半径为所述凹面反射镜顶点到所述复合水凝胶海绵之间光轴长度的三分之二到一倍长度；所述第二凸透镜位于所述凹面反射镜的曲率半径的三分之一到二分之一高度处；所述第一凸透镜的口径为光束直径的1.2~1.3倍。
14.优选的，所述复合水凝胶海绵的厚度为5.05mm；所述海水浸泡所述复合水凝胶海绵的高度为2~4mm。
15.本发明提供了一种复合水凝胶海绵，包括依次层叠设置的供水层和蒸发层；所述供水层的材料为聚丙烯酰胺水凝胶；所述蒸发层的材料为聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶；所述聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶包括聚丙烯酰胺水凝胶和分散在所述聚丙烯酰胺水凝胶中的石墨烯。本发明所述复合水凝胶海绵具有海绵特有的多孔结构，有利于水分的快速传输与供给；同时，所述蒸发层表面的石墨烯可以充分的接收太阳能，产生较高的光热转换效率；本发明还提供了一种太阳能海水淡化装置，包括依次设置的聚光系统、第一凸透镜和太阳能蒸发器；所述聚光系统反射的光通过第一凸透镜照射到所述太阳能蒸发器上；所述聚光系统包括由下至上依次设置的凹面反射镜、第二凸透镜和平面反射镜；所述凹面反射镜、第二凸透镜和平面反射镜的中心位于同一条直线上；所述直线垂直于所述水平面；所述太阳能蒸发器包括上述技术方案所述的复合水凝胶海绵或上述技术方案所述的制备方法制备得到的复合水凝胶海绵；还包括倒“v”型透明玻璃罩和架台；所述架台包括位于中间的海水区和位于两端的淡水收集区；所述复合水凝胶海绵漂浮于所述海水区的海水表面。所述聚光系统可以将太阳光高效聚合，并通过第一凸透镜照射到所述太阳能蒸发器上，提高了太阳光的利用率，进而大大提高了太阳能海水淡化的蒸发速率和蒸发效率，可以实
现绿色环保、无碳排放和高效节能的太阳能海水淡化的目的。
附图说明
16.图1为实施例1~4所示复合水凝胶海绵的结构示意图；其中，1-供水层，2-蒸发层；图2为本发明所述太阳能海水淡化装置；其中，3-凹面反射镜，4-第二凸透镜，5-平面反射镜，6-第一凸透镜，7-倒“v”型透明玻璃罩，8-架台，9-海水区，10-淡水区，11-聚光系统，12-复合水凝胶海绵，13-太阳光，14-聚焦太阳光，15-凝结水，16-水蒸汽。
具体实施方式
17.本发明提供了一种复合水凝胶海绵，包括依次层叠设置的供水层和蒸发层；所述供水层的材料为聚丙烯酰胺水凝胶；所述蒸发层的材料为聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶；所述聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶包括聚丙烯酰胺水凝胶和分散在所述聚丙烯酰胺水凝胶中的石墨烯。
18.在本发明中，所述供水层的孔径优选为100~500nm，更优选为150~300nm，最优选为180~220nm。
19.在本发明中，所述蒸发层中的石墨烯和聚丙烯酰胺的质量比优选为(0.90~1.35):(12~18)，更优选为(1.00~1.20):(13~16)，最优选为1.10：13。
20.在本发明中，所述蒸发层中的石墨烯的粒径优选为0.40~10.00nm，更优选为0.50~5.00nm，最优选为0.50~3.00nm。
21.在本发明中，所述蒸发层中的孔径优选为80~200nm，更优选为80~150nm，最优选为80~120nm。
22.在本发明中，所述蒸发层与供水层的厚度比优选为（50~100）:1，更优选为（75~100）:1，最优选为100:1。
23.本发明还提供了上述技术方案所述的复合水凝胶海绵的制备方法，包括以下步骤：将第一丙烯酰胺、第一引发剂、第一助引发剂、第一交联剂和第一水混合，在模具中进行第一原位聚合，得到聚丙烯酰胺水凝胶层；将第二丙烯酰胺、第二引发剂、第二助引发剂、第二交联剂、石墨烯和第二水混合后，在所述聚丙烯酰胺水凝胶层的上表面进行第二原位聚合生成聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶层，得到所述复合水凝胶海绵。
24.在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
25.本发明将第一丙烯酰胺、第一引发剂、第一助引发剂、第一交联剂和第一水混合，在模具中进行第一原位聚合，得到聚丙烯酰胺水凝胶层。
26.在本发明中，所述第一引发剂优选为过硫酸铵。
27.在本发明中，所述第一助引发剂优选为n,n,n',n'-四甲基乙二胺。
28.在本发明中，所述第一交联剂优选为n-n'亚甲基双丙烯酰胺。
29.在本发明中，所述第一水优选为蒸馏水。
30.在本发明中，所述第一丙烯酰胺、第一水、第一引发剂、第一助引发剂和第一交联
剂的质量比优选为（12~18）：（80~118）：（0.04~0.14）：（0.04~0.14）：（0.0015~0.015），更优选为（12~16）：（80~110）：（0.06~0.12）：（0.06~0.12）：（0.006~0.01），最优选为（12~14）：（80~90）：（0.07~0.08）：（0.07~0.08）：（0.007~0.009）。
31.在本发明中，按照上述配方制备得到的供水层可以使复合水凝胶海绵在海水面上保持稳定的半漂浮状态，并使最终制备得到的复合水凝胶海绵以合适的高度漂浮浸没在海水表面，使海水能够通过所述供水层源源不断的供应给海绵的蒸发层，并保证所述蒸发层将吸收的太阳能在较大程度上应用于海水的蒸发，降低热量损耗。
32.在本发明中，所述混合优选为先将第一丙烯酰胺和第一水混合后，再与第一引发剂、第一助引发剂和第一交联剂混合。在本发明中，所述混合优选在搅拌的条件下进行，本发明对所述搅拌的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
33.本发明对所述模具没有任何特殊的限定，根据实际需要采用本领域技术人员熟知形状的模具即可。
34.在本发明中，所述第一原位聚合的温度优选为35~85℃，更优选为40~80℃，最优选为50~60℃；时间优选为15~80min，更优选为20~70min，最优选为60~70min。
35.得到聚丙烯酰胺水凝胶层后，本发明将第二丙烯酰胺、第二引发剂、第二助引发剂、第二交联剂、石墨烯和第二水混合后，在所述聚丙烯酰胺水凝胶层的上表面进行第二原位聚合生成聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶层，得到所述复合水凝胶海绵。
36.本发明对所述第二引发剂、第二助引发剂和第二交联剂的种类的限定优选参考上述对第一引发剂、第一助引发剂和第一交联剂的限定，在此不再进行赘述。
37.在本发明中，所述石墨烯的粒径优选为0.40~10.00nm，更优选为0.50~5.00nm，最优选为0.50~3.00nm。在本发明中，所述第二水优选为蒸馏水。
38.在本发明中，所述石墨烯、第二丙烯酰胺、第二水、第二引发剂、第二助引发剂和第二交联剂的质量比优选为（0.90~1.35）：（12~18）：（80~118）：（0.04~0.14）：（0.04~0.14）：（0.0015~0.015），更优选为（1.0~1.30）：（13~16）：（80~90）：（0.06~0.12）：（0.06~0.12）：（0.002~0.01），最优选为1.10：13：85：0.07：0.07：0.008。
39.在本发明中，所述混合优选为先将第二丙烯酰胺和第二水混合后，再与第二引发剂、第二助引发剂、第二交联剂和石墨烯混合。在本发明中，所述混合优选在搅拌的条件下进行；本发明对所述搅拌的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
40.在本发明中，所述第二原位聚合的温度优选为35~85℃，更优选为40~80℃，最优选为50~60℃；时间优选为15~80min，更优选为30~80min，最优选为60~70min。
41.本发明还提供了上述技术方案所述的复合水凝胶海绵或上述技术方案所述的制备方法制备得到的复合水凝胶海绵在海水淡化领域中的应用。
42.本发明还提供了一种太阳能海水淡化装置，包括依次设置的聚光系统、第一凸透镜和太阳能蒸发器；所述聚光系统反射的光通过第一凸透镜照射到所述太阳能蒸发器上；所述聚光系统包括由下至上依次设置的凹面反射镜、第二凸透镜和平面反射镜；所述凹面反射镜、第二凸透镜和平面反射镜的中心位于同一条直线上；所述直线垂直于水平面；所述太阳能蒸发器包括上述技术方案所述的复合水凝胶海绵或上述技术方案所
述的制备方法制备得到的复合水凝胶海绵；还包括倒“v”型透明玻璃罩和架台；所述架台包括位于中间的海水区和位于两端的淡水收集区；所述复合水凝胶海绵漂浮于所述海水区的海水表面。
43.在本发明中，所述第一凸透镜的口径优选为光束直径的1.2~1.3倍。在本发明中，所述第一凸透镜优选为菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜具有更优异的聚光效果。本发明优选通过调整平面反射镜的角度和菲涅尔透镜的纹距等参数使光束均匀地入射到所述复合水凝胶海绵上。
44.在本发明中，所述凹面反射镜的口径优选为所述复合水凝胶海绵的直径的3~10倍，更优选为4~8倍，最优选为5~6倍。
45.在本发明中，所述凹面反射镜的曲率半径优选为所述凹面反射镜顶点到所述复合水凝胶海绵之间光轴长度的三分之二到一倍长度。在本发明中，将所述凹面反射镜的曲率半径控制在上述范围内可以减小凹面反射镜的弧度，进而降低聚光系统的成本。
46.在本发明中，所述第二凸透镜优选位于所述凹面反射镜的曲率半径的三分之一到二分之一高度处。在本发明中，将所述第二凸透镜的位置控制在上述范围内可以减小聚光系统的中心遮光面积。
47.在本发明中，所述海水区装有待淡化的海水；所述淡水区装有经过蒸发冷凝后回流得到的淡水。
48.在本发明中，所述复合水凝胶海绵的厚度优选为5.05mm；所述海水浸泡所述复合水凝胶海绵的高度优选为2~4mm。
49.在本发明中，利用所述太阳能海水淡化装置进行海水淡化的过程为：太阳光经过非遮光区垂直照射至所述凹面反射镜表面后，经反射使反射光依次通过第二凸透镜折射至平面反射镜后，经平面反射镜反射至第一凸透镜（菲涅尔透镜）进行聚光，透过透明玻璃罩照射至复合水凝胶海绵使海水蒸发，蒸发产生的水蒸气上升至透明玻璃罩冷凝成凝结水后，回流至淡水区进行淡水的收集。
50.下面结合实施例对本发明提供的复合水凝胶海绵及其制备方法和应用、太阳能海水淡化装置进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
51.实施例1将12g丙烯酰胺溶于85g蒸馏水中，在得到的丙烯酰胺水溶液中加入0.06g过硫酸铵、0.06g n,n,n',n'-四甲基乙二胺和0.0075g n-n'亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀后，倒入直径为20mm的圆柱形模具中，60℃静置聚合60min，得到聚丙烯酰胺水凝胶，切出高度为5mm的水凝胶柱体作为供水层（孔径为180~220nm）；将12g丙烯酰胺溶于85g蒸馏水中，在得到的丙烯酰胺水溶液中加入1g石墨烯（粒径为0.50~3.00nm），0.06g过硫酸铵、0.06g n,n,n',n'-四甲基乙二胺和0.0075g n-n'亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀后，涂敷于所述供水层的上表面后，60℃静置聚合60min，在所述供水层的上表面制备聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶，切出高度为0.05mm的水凝胶柱体，作为蒸发层（孔径为80~120nm），得到所述复合水凝胶海绵（结构如图1所示）。
52.实施例2将13g丙烯酰胺溶于85g蒸馏水中，在得到的丙烯酰胺水溶液中加入0.07g过硫酸铵、0.07g n,n,n',n'-四甲基乙二胺和0.008g n-n'亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀后，倒入
直径为20mm的圆柱形模具中，55℃静置聚合65min，得到聚丙烯酰胺水凝胶，切出高度为5mm的水凝胶柱体作为供水层（孔径为180~220nm）；将13g丙烯酰胺溶于85g蒸馏水中，在得到的丙烯酰胺水溶液中加入1.1g石墨烯（粒径为0.50~3.00nm），0.07g过硫酸铵、0.07g n,n,n',n'-四甲基乙二胺和0.008g n-n'亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀后，涂敷于所述供水层的上表面后，55℃静置聚合65min，在所述供水层的上表面制备聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶，切出高度为0.05mm的水凝胶柱体，作为蒸发层（孔径为80~120nm），得到所述复合水凝胶海绵（结构如图1所示）。
53.实施例3将15g丙烯酰胺溶于85g蒸馏水中，在得到的丙烯酰胺水溶液中加入0.075g过硫酸铵、0.075g n,n,n',n'-四甲基乙二胺和0.010g n-n'亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀后，倒入直径为20mm的圆柱形模具中，50℃静置聚合70min，得到聚丙烯酰胺水凝胶，切出高度为5mm的水凝胶柱体作为供水层（孔径为180~220nm）；将15g丙烯酰胺溶于85g蒸馏水中，在得到的丙烯酰胺水溶液中加入1.2g石墨烯（粒径为0.50~3.00nm），0.075g过硫酸铵、0.075g n,n,n',n'-四甲基乙二胺和0.010g n-n'亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀后，涂敷于所述供水层的上表面后，50℃静置聚合70min，在所述供水层的上表面制备聚丙烯酰胺/石墨烯复合水凝胶，切出高度为0.05mm的水凝胶柱体，作为蒸发层（孔径为80~120nm），得到所述复合水凝胶海绵（结构如图1所示）。
54.实施例4按照图2所示的结构，安装太阳能海水淡化装置，包括依次设置的聚光系统、菲涅尔透镜和太阳能蒸发器；所述聚光系统反射的光通过菲涅尔透镜照射到所述太阳能蒸发器上；所述聚光系统包括由下至上依次设置的凹面反射镜、凸透镜和平面反射镜；所述凹面反射镜、凸透镜和平面反射镜的中心位于同一条直线上；所述直线垂直于所述水平面；所述太阳能蒸发器包括实施例1制备的复合水凝胶海绵；还包括倒“v”型透明玻璃罩和架台；所述架台包括位于中间的海水区和两端的淡水收集区；所述复合水凝胶海绵位于所述海水区；所述凹面反射镜的口径为所述复合水凝胶海绵的直径的5倍；所述凹面反射镜的曲率半径为所述凹面反射镜顶点到所述复合水凝胶海绵之间光轴长度的三分之二；所述凸透镜位于所述凹面反射镜的曲率半径的二分之一高度处；所述菲涅尔透镜的口径为光束直径的1.2倍。
55.实施例1-4所述海水区中填充待淡化的海水；所述复合水凝胶海绵漂浮在所述海水的表面，处于半漂浮状态（海水浸泡所述复合水凝胶海绵的高度为2~4mm）。
56.四个实施例的海水淡化效果对照：用模拟太阳光（光密度为1kw/m2的太阳能模拟器模拟1个太阳辐照样品）分别对实施例1~3所述复合水凝胶海绵（放置于透明玻璃罩内）直接进行持续照射，海水蒸发后的水蒸气上升至透明玻璃罩后，冷凝成凝结水回流至淡水区进行淡水的收集，从而实现对海水的淡化。
57.用模拟太阳光（光密度为1kw/m2的太阳能模拟器模拟1个太阳辐照样品）对实施例4所述聚光系统中的凹面反射镜进行持续照射，并通过所述聚光系统进行聚光，经平面反射镜反射至菲涅尔透镜进行聚光（聚光后的强度可达到3~5个模拟太阳），透过透明玻璃罩照射至复合水凝胶海绵进行蒸发，蒸发后的水蒸气上升至透明玻璃罩，冷凝成凝结水后回流
至淡水区进行淡水的收集，从而实现对海水的淡化。
58.蒸发速率（在稳态条件下，通过用电子分子天平测量所述海水在60min内的重量变化，即淡水产生量）和蒸发效率（计算公式为：q=（sh）/（qc）
×
100%；其中，s为蒸发速率（kg/m2h），h为相变焓（0.423wh/g或1.52kj/g），q为一个太阳的强度（1kw/m2），c为太阳数（1个））；测试结果为：实施例1的蒸发速率为2.20kg/m2·
h，蒸发效率为93.1%；实施例2的蒸发速率为2.24kg/m2·
h，蒸发效率为94.8%；实施例3的蒸发速率为2.30kg/m2·
h，蒸发效率为97.3%；实施例4的蒸发速率为4.35kg/m2·
h，蒸发效率为184.0%；由此可见，用1个模拟太阳直接照射，它们的蒸发速率只有2.20~2.30 kg/m2·
h。而实施例4通过1个模拟太阳经过聚光，聚光后照射的强度将达到3-5个模拟太阳，它的蒸发速率增加到4.35kg/m2·
h，远远高于不聚光1个模拟太阳的蒸发速率；连续照射60min后，测试淡化前海水中以及淡化后得到的淡水中钠离子、镁离子、钾离子和钙离子的浓度，测试结果为：未处理海水中钠离子浓度为11700ppm，镁离子浓度为6530ppm，钾离子浓度为435ppm，钙离子368ppm；经过实施例1处理后的海水中钠离子浓度为8.56ppm，镁离子浓度为5.38ppm，钾离子浓度为1.82ppm，钙离子1.73ppm；经过实施例2处理后的海水中钠离子浓度为8.32ppm，镁离子浓度为5.61ppm，钾离子浓度为1.81ppm，钙离子1.86ppm；经过实施例3处理后的海水中钠离子浓度为8.43ppm，镁离子浓度为5.39ppm，钾离子浓度为1.93ppm，钙离子1.79ppm；经过实施例4处理后的海水中钠离子浓度为8.45ppm，镁离子浓度为5.42ppm，钾离子浓度为1.86ppm，钙离子1.78ppm。由此可见，经过本发明所述太阳能海水淡化装置淡化处理后的水中盐的去除率达到99.9%。
59.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。